油液温度对湿式离合器充油特性的影响研究

， 　， 　， ， (.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室， 北京　0008； .江麓机电集团有限公司， 湖南 湘潭　400)

引言

湿式离合器是车辆中的重要部件，对车辆的起步和换挡过程都起着重要的作用，近年来随着双离合器式自动变速器的发展，离合器接合的准确性更是至关重要[1]。

关于离合器的充油特性，国内外学者已经进行了一些相关的研究。冯能莲[2]分析了摩擦片间隙和充油道直径的影响，建模过程也未考虑管路液阻液容。张静[3]分析了蓄能器对充油特性的影响。邹绵意分析了油液含气量对湿式离合器充油特性的影响。

本研究在考虑油道液阻、液感以及外啮合齿轮式液压泵容积效率、油液可压缩性的条件下，在MATLAB/Simulink中建立了某履带式装甲车辆的湿式离合器充油系统仿真模型，分析了不同油液温度对离合器充油特性的影响。

1　离合器充油系统建模

离合器的充油系统主要由液压泵、溢流阀、电液开关阀、离合器几部分构成，齿轮泵旋转提供压力油，通过控制开关阀改变节流面积，进而改变流入离合器活塞腔的压力和流量，其结构原理图如图1所示。

对于上述液压系统，液压泵为定量泵，且转速保持不变，因此泵的输出流量为定值，考虑管道容腔液容且忽略管道内泄漏时，根据液体的连续性，可得：

Qp=Qc+Qv+Qy

(1)

式中：Qp为液压泵输出流量；Qc为离合器充油流量；Qv为溢流阀流量；Qy为管道容腔由液压缩引起的变化。

图1　离合器充油系统图

其中，当主油路油压为ps时：

(2)

式中：Vy为管道容腔的容积，βe为纯液压油的容积弹性模量，忽略油液中的含气影响[4]。

β=βmax(1-e-0.4-2e-2p)

(3)

式中：βmax为油液最大体积弹性模量，1700 MPa。

1.1　液压泵

采用的供油泵为定排量液压泵，其流量方程为：

Qp=npVpη

(4)

式中：np为液压泵驱动电机转速；Vp为液压泵排量；η为液压泵容积效率。

其中，η的计算通过修正如下式[5]：

(5)

式中：Cs、Cst为分别为液压泵的层流泄漏系数和紊流泄漏系数，分别取值为Cs=1.05×10-8，Cst=0；x为液压泵的变量系数，表示工作排量占最大排量的百分比，对于定量泵，则x=1；β为液压油的弹性模量；Δp为液压泵进出口压差；S、σ为无量纲参数，且：

(6)

(7)

式中：μ、ρ为分别为液压油动力黏度和密度，ωp为液压泵角速度，Vmax为液压泵最大排量。

1.2　溢流阀模型

选用锥阀式直动式溢流阀，当系统的压力超过溢流压力时开始溢流，其他时间阀关闭。按照薄壁节流小孔计算，因此可得：

当ps

当ps≥pk时：

(8)

式中：pk为安全阀开启压力，取值一般大于调定压力的90%，取pk=1.35 MPa；Cd为阀口流量系数，取0.62；d3为阀口平均直径，6.3 mm；α为阀芯半锥角，90°；x为阀口开度，在不考虑惯性力与阻尼力的情况下，阀口开度为：

(9)

式中：k为安全阀弹簧刚度，12.920 N/mm。

1.3　离合器模型

根据离合器活塞的受力，忽略活塞密封圈的摩擦力，则动力学方程为：

(10)

式中：Fω为油液离心力产生的动压力。

(11)

式中：αw为滞后系数，一般取0.8～0.95[6]；R1、R2为离合器油缸活塞的内、外半径；ω为离合器油缸的旋转速度，静态时为0；mc为活塞等效质量；cc为阻尼系数；ks为回位弹簧刚度；λ0为弹簧初始压缩量。

进入离合器油缸中的流量与油压的关系如下式：

(12)

式中：Q1为卸压孔流量，在低速下旋转油压相对于控制油压比重较小，予以忽略。计算如式(13)：

(13)

式中：d2为卸压孔直径；μ为油液的动力黏度；L2为泄压孔长度。

1.4　油道的液阻、液感

忽略油道内的泄漏，考虑油道的液阻液感对油压的影响，则：

(14)

式中：

液感：

(15)

液阻：

(16)

式中：d为油道直径；l为油道长度；μ、ρ为油液动力黏度和密度；pR为阀的出口油压。

1.5　换挡阀

换挡阀采用电磁开关阀，通过控制电流的通断大小来改变节流口的大小，这里我们将开口面积固定为阀的最大开口值，根据阀口流量公式，则有：

(17)

式中：Cd为阀口流量系数，为0.62；Ax为阀开口面积，为39.3 mm2。

2　仿真分析

根据式(1)～(17)，基于MATLAB/Simulink建立了仿真模型，对充油过程进行了动态仿真，离合器的仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

根据油液黏度随温度变化的实验数据并经过数据三次多项式拟合，可得黏度随温度变化的函数如式(18)[7]：

μ=-0.00089499×T3+0.21818×T2

-17.856×T+510.79

(18)

仿真中，取油液温度变化为20 ℃、40 ℃、60 ℃，仿真结果如图2所示，图中取0.25 s为坐标原点，仿真结果如图2所示。

图2　不同温度下的充油特性

通过仿真，我们发现，离合器的充油特性受温度的影响主要表现在第二阶段，随着温度升高，转折点时间依次为0.1919 s、0.22 53 s、0.2578 s，即随着温度升高，充油第二阶段的时间几乎为线性增加。

3　结论

本研究建立了包含泵效率、液阻、液容的湿式离合器充油模型。通过仿真分析得出如下结论：

(1) 随着温度升高，油液黏度降低，离合器充油过程中第二阶段时间变长，油压上升变缓；

(2) 对换挡离合器油压特性需要精确控制时，应考虑不同油液温度对油压特性的影响。

参考文献：

[1]荆崇波，苑士华，郭晓林.双离合器自动变速器及其应用前景分析[J].机械传动，2005,29(3)：56-58.

[2]冯能莲，郑幕侨，马彪.动力换挡离合器充/放油特性仿真研究[J].农业工程学报，2001,17(2)：68-71.

[3]张静，李和言，马彪，张海岭.蓄能器对换挡离合器充油过程仿真研究[J].液压与气动，2013,(3)：96-99.

[4]李和言.综合传动液压转向换挡离合器结合过程动态特性研究[D].北京：北京理工大学,2004.

[5]McCandlish D,Dorey R.The Mathematical Modeling of Hydrostatic Pumps and Motors[J].Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,1984,198(10):165-174.

[6]胡宏伟.湿式自动离合器结合过程特性的研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[7]马彪，邹绵意，李和言，关万俊.油液混气对湿式离合器充油过程的影响[J].液压与气动，2014,(5):60-65.